生理载荷下椎间盘力学性能的实验研究及有限元分析

发布时间：2017-07-28 17:11

  本文关键词：生理载荷下椎间盘力学性能的实验研究及有限元分析

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【摘要】：腰椎间盘突出症是脊椎类疾病中最为多见的病症之一,也是引起腰腿痛最为主要的原因,给病人的生理和心理健康带来了严重威胁,同时也给当代社会带来了沉重负担。长期机械负荷或超额负载被认为是导致椎间盘退变的重要原因。由于腰椎间盘突出症的发生与其力学状态有着密切的关系,因此有必要深入研究椎间盘在生理载荷下的力学行为,为椎间盘突出症的预防和临床治疗提供理论依据,同时对椎间盘的力学性能评价和人工构建椎间盘具有重要意义。本课题从实验和仿真两个方面对动物腰椎间盘在生理载荷下的力学行为进行了研究。实验研究部分进行了动物腰椎节段的压缩实验和生理载荷下椎间盘上表面的应变场测量实验。在动物腰椎节段的压缩实验中得到了动物腰椎节段在压缩条件下的位移载荷曲线,曲线呈非线性;在生理载荷下椎间盘上表面的应变场测量实验中,采用数字图像相关技术研究了动物腰椎间盘在压缩和前屈载荷下椎间盘上表面的力学状态,实验结果显示,在前屈载荷下应变场出现一定的分布规律。仿真部分采用了逆向工程技术,基于CT扫描技术,结合3D图像生成及编辑处理软件Mimics、逆向工程软件Geomagic Studio、三维绘图软件Solid Works以及有限元分析软件ANSYS建立具有椎间盘的完整动物腰椎模型,其中的椎间盘包含纤维环基质、纤维环纤维、毮核及终板四个部分。然后对腰椎节段模型分布进行了在压缩、前屈、扭转三种生理载荷作用下的有限元分析,并将仿真结果和实验结果进行了对比,两项结果基本一致,证实了本研究中所建立的模型具有较高可行性,仿真结果具有参考价值。从有限元分析结果中可得出结论:在扭转载荷作用的条件下,椎间盘纤维环上出现了最大应力,可见扭转载荷最容易使纤维环发生破坏,引发椎间盘突出。同时从纤维环中纤维的受力状态可以看出:在扭转载荷作用时,纤维倾斜并互相交叉的生长方式对椎间盘起到了很好的保护作用。同样通过有限元仿真,研究了毮核和纤维对椎间盘整体力学性能的影响,结果表明:(1)纤维和毮核对模型都有一定影响,其中纤维的影响较为明显;(2)完整的椎间盘模型会大大缩小不同载荷条件下的应变数值;(3)三种模型中,扭转载荷对应变的影响最为明显。
【关键词】：椎间盘 生理载荷 数字图像相关技术 有限元分析
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R681.53;R318.01
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 课题背景9-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.2.1 实验研究11-12
• 1.2.2 仿真研究12
• 1.2.3 理论研究12-13
• 1.3 存在的问题及问题分析13
• 1.4 研究内容及目的13-15
• 第二章 动物腰椎椎间盘的实验研究15-25
• 2.1 腰椎运动节段的压缩实验15-18
• 2.1.1 实验材料15
• 2.1.2 实验设备15-16
• 2.1.3 实验方法16-17
• 2.1.4 实验结果17-18
• 2.2 生理载荷条件下椎间盘上表面的应变场测量18-24
• 2.2.1 数字图像相关技术介绍18
• 2.2.2 实验材料18-19
• 2.2.3 实验仪器19-20
• 2.2.4 实验方法20-22
• 2.2.5 实验结果22-24
• 2.3 本章小结24-25
• 第三章 基于CT扫描的动物腰椎有限元模型的建立25-33
• 3.1 研究中使用的相关技术及软件的简介25-27
• 3.1.1 CT扫描技术简介25
• 3.1.2 有限元法原理及发展简介25-26
• 3.1.3 Mimics软件简介26
• 3.1.4 Geomagic Studio软件简介26
• 3.1.5 Solid Works软件简介26
• 3.1.6 ANSYS软件简介26-27
• 3.2 建立含椎间盘的完整动物腰椎的有限元模型27-31
• 3.2.1 获取CT扫描数据27
• 3.2.2 利用mimics进行L3-L5三节椎体的三维重建27-28
• 3.2.3 利用Geomagic Studio对L3-L5三节椎体模型进行优化处理28
• 3.2.4 利用Solid Works转换模型格式28
• 3.2.5 在ANSYS中建立含有终板、毮核和纤维的完整椎间盘模型28-31
• 3.3 本章小结31-33
• 第四章 含椎间盘的完整腰椎节段模型的有限元分析33-53
• 4.1 对腰椎节段模型施加边界条件33-34
• 4.1.1 位移边界条件的施加33
• 4.1.2 载荷边界条件的施加33-34
• 4.2 对腰椎节段模型进行计算分析34
• 4.3 计算结果及分析34-46
• 4.3.1 载荷为Z轴负方向 3mm位移时的计算结果34-35
• 4.3.2 载荷为 500N压力时的计算结果35-38
• 4.3.3 载荷为 7.5Nm弯矩时的计算结果38-42
• 4.3.4 载荷为 7.5Nm扭矩时的计算结果42-45
• 4.3.5 结果分析45-46
• 4.4 计算结果和仿真结果进行比较分析46-48
• 4.4.1 比较动物腰椎节段的位移载荷曲线46-47
• 4.4.2 椎间盘纤维环上表面应变场的比较47-48
• 4.5 椎间盘模型在生理载荷下的力学特征的参数研究48-52
• 4.5.1 在压缩载荷下的力学特征48-49
• 4.5.2 在前屈载荷下的力学特征49-50
• 4.5.3 在扭转载荷下的力学特征50-52
• 4.5.4 在三种生理载荷下的力学特征比较52
• 4.6 本章小结52-53
• 第五章 总结和展望53-54
• 5.1 总结53
• 5.2 展望53-54
• 参考文献54-58
• 发表论文和科研情况说明58-59
• 致谢59-60

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 张超,阮狄克;组织工程椎间盘的研究进展[J];脊柱外科杂志;2005年02期

2 朱东;董心;朱兴华;李锐;黄万通;王春宇;崔海峰;;腰椎4、5间盘纤维环纤维层力学性能的实验研究[J];生物医学工程学杂志;2006年02期

3 李宛青;椎间盘组织结构特点及椎间盘突出症[J];生物学杂志;1998年03期

4 潘兵;谢惠民;李艳杰;;用于物体表面形貌和变形测量的三维数字图像相关方法[J];实验力学;2007年06期

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本文编号：585110